宏观低速物理 '牛顿篇'

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牛顿力学属于经典力学范畴,是以质点作为研究对象,着眼于力的作用关系,在处理质点系统问题时,强调分别考虑各个质点所受的力,然后来推断整个质点系统的运动状态;牛顿力学认为质量和能量各自独立存在,且各自守恒;它只适用于物体运动的惯性参照系;牛顿力学较多采用直观的几何方法,在解决简单的力学问题时,比分析力学方便简单。

牛顿第一定律

内容:一切物体在没有受到力或合力为零的作用时,总保持静止状态或匀速直线运动状态。

说明:物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势,因此物体的运动状态是由它的运动速度决定的,没有外力,它的运动状态是不会改变的。物体的这种性质称为惯性。所以牛顿第一定律也称为惯性定律。第一定律也阐明了力的概念。明确了力是物体间的相互作用,指出了是力改变了物体的运动状态。因为加速度是描写物体运动状态的变化,所以力是和加速度相联系的,而不是和速度相联系的。在日常生活中不注意这点,往往容易产生错觉。

注意:牛顿第一定律并不是在所有的参照系里都成立,实际上它只在惯性参照系里才成立。因此常常把牛顿第一定律是否成立,作为一个参照系是否惯性参照系的判据。
牛顿第一定律
牛顿第二定律

内容:物体在受到合外力的作用会产生加速度,加速度的方向和合外力的方向相同,加速度的大小与合外力的大小成正比,与物体的惯性质量成反比。

公式:F=ma,F为合外力

牛顿第二定律定量描述了力作用的效果,定量地量度了物体的惯性大小。它是矢量式,并且是瞬时关系
要强调的是,物体受到的不为零合外力,会产生加速度,使物体的运动状态或速度发生改变,但是这种改变是和物体本身的运动状态有关的。
局限:该定律只适用于宏观物体的低速运动。打点计时器
牛顿第二运动定律有五个特点:

瞬时性:牛顿第二运动定律是力的瞬时作用效果,加速度和力同时产生、同时变化、同时消失。

矢量性:F向量 = m*a向量 是一个矢量表达式,加速度和合力的方向始终保持一致。

独立性:物体受几个外力作用,在一个外力作用下产生的加速度只与此外力有关,与其他力无关,各个力产生的加速度的矢量和等于合外力产生的加速度,合加速度和合外力有关。

因果性:力是产生加速度的原因,加速度是力的作用效果故力是改变物体运动状态的原因。

等值不等质性:虽然F向量 = ma向量 ,但 ma向量不是力,而是反映物体状态变化情况的;虽然m=F向量/a向量 ,仅仅是F向量/a向量 度量物体质量大小的方法,m与 F向量或a向量 无关。

牛顿第二运动定律主要的实验验证方法

用打点计时器法验证:
研究系统的加速度与系统的质量和拉力间的关系时,将打点计时器固定在木板的一端,把砝码和小车栓在细线的两端,细线跨过滑轮,砝码的重量作为拉力,让拖着纸带的小车在平直的平面上运动,则小车及其上的砝码、线的另一端栓着的钩码组成一个运动系统。
每次实验均须在纸带上注明拉力和系统的质量。
为了抵消摩擦力,通常采取以下两种方法:倾斜滑动法、水平拉线法。
在这里插入图片描述

在气垫导轨上验证:

将气垫导轨调平后(由于导轨都存在一定的弯曲,滑块与导轨间存在阻力,所以调平在实验中一般用滑块通过两个光电门时的速度相等来衡量),测出粘性阻尼常数b。
为了修正粘滞性摩擦阻力的存在所引起的速度损失,必须解决粘滞性阻尼常数的测定问题。其方法主要有以下两种:倾斜导轨法、振动法。
在这里插入图片描述
牛顿第三定律

内容:两个物体之间的作用力和反作用力,在同一条直线上,大小相等,方向相反。

(1)作用力和反作用力是没有主次、先后之分。同时产生、同时消失。
(2)这一对力是作用在不同物体上,不可能抵消。
(3)作用力和反作用力必须是同一性质的力。
(4)与参照系无关。

牛顿第三运动定律主要的实验验证方法

定性实验:

取一根长约15厘米两端开口的细玻璃管,管的值径约3毫米(能使火柴进出),用两根火柴装入管中,使火柴头在管的中间互相接触,然后放平。用酒精灯对准火柴头加热、不久因玻璃管受热升温。火柴头达到着火点迅速燃烧,气体相互压迫,两根火柴杆从两管的开口处同时飞出,并观察到继续燃烧,飞出的路程大约相等,说明物体的作用是相互的。
在这里插入图片描述
定量实验:
选取两个力学传感器,保持两个传感器在同一平面上,让两传感器的测力钩相互钩住或相抵,通过数据采集软件可以分别得到两条力-时间图线,如图1和图 2所示,同时得到该时间段的作用力和反作用力随时间变化的实时数据。通过观察,可以看出作用力和反作用力与时间的对应关系,任意时刻这两个个力的大小基本一致,表示两个力大小相等。
这种实验方案,不仅适用于量化水平面上的相互作用力,而且适用于量化竖直平面或与竖直方向成任意角度的同一平面上的相互作用力,只要和两个力处于同一平面,就可以精确模拟作用力与反作用力,体现了两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,作用在同一直线上,更加直观有效的突出牛顿第三定律的普适性。 在这里插入图片描述
下面列出高中牛顿三大定律公式总结
一、质点的运动(1)------直线运动

1)匀变速直线运动

1、速度Vt=Vo+at 2.位移s=Vot+at²/2=V平t= Vt/2t

3.有用推论Vt²-Vo²=2as

4.平均速度V平=s/t(定义式)

5.中间时刻速度Vt/2=V平=(Vt+Vo)/2

6.中间位置速度Vs/2=√[(Vo²+Vt²)/2]

7.加速度a=(Vt-Vo)/t {以Vo为正方向,a与Vo同向(加速)a>0;反向则a<0}

8.实验用推论Δs=aT²{Δs为连续相邻相等时间(T)内位移之差}

9.主要物理量及单位:初速度(Vo):m/s;加速度(a):m/s2;末速度(Vt):m/s;时间(t)秒(s);位移(s):米(m);路程:米;速度单位换算:1m/s=3.6km/h。

注:(1)平均速度是矢量; (2)物体速度大,加速度不一定大; (3)a=(Vt-Vo)/t只是量度式,不是决定式;

(4)其它相关内容:质点.位移和路程.参考系.时间与时刻;速度与速率.瞬时速度。

2)自由落体运动

1.初速度Vo=0 2.末速度Vt=gt 3.下落高度h=gt2/2(从Vo位置向下计算) 4.推论Vt2=2gh

注:(1)自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动,遵循匀变速直线运动规律;

(2)a=g=9.8m/s2≈10m/s2(重力加速度在赤道附近较小,在高山处比平地小,方向竖直向下)。

(3)竖直上抛运动

1.位移s=Vot-gt2/2 2.末速度Vt=Vo-gt (g=9.8m/s2≈10m/s2)

3.有用推论Vt2-Vo2=-2gs 4.上升最大高度Hm=Vo2/2g(抛出点算起)

5.往返时间t=2Vo/g (从抛出落回原位置的时间)

注:(1)全过程处理:是匀减速直线运动,以向上为正方向,加速度取负值;

(2)分段处理:向上为匀减速直线运动,向下为自由落体运动,具有对称性;

(3)上升与下落过程具有对称性,如在同点速度等值反向等。

二、力(常见的力、力的合成与分解)

(1)常见的力

1.重力G=mg (方向竖直向下,g=9.8m/s2≈10m/s2,作用点在重心,适用于地球表面附近)

2.胡克定律F=kx {方向沿恢复形变方向,k:劲度系数(N/m),x:形变量(m)}

3.滑动摩擦力F=μFN {与物体相对运动方向相反,μ:摩擦因数,FN:正压力(N)}

4.静摩擦力0≤f静≤fm (与物体相对运动趋势方向相反,fm为最大静摩擦力)

5.万有引力F=Gm1m2/r2 (G=6.67×10-11N?m2/kg2,方向在它们的连线上)

6.静电力F=kQ1Q2/r2 (k=9.0×109N?m2/C2,方向在它们的连线上)

7.电场力F=Eq (E:场强N/C,q:电量C,正电荷受的电场力与场强方向相同)

8.安培力F=BILsinθ (θ为B与L的夹角,当L⊥B时:F=BIL,B//L时:F=0)

9.洛仑兹力f=qVBsinθ (θ为B与V的夹角,当V⊥B时:f=qVB,V//B时:f=0

注:(1)劲度系数k由弹簧自身决定;

(2)摩擦因数μ与压力大小及接触面积大小无关,由接触面材料特性与表面状况等决定;

(3)fm略大于μFN,一般视为fm≈μFN;

(4)其它相关内容:静摩擦力(大小、方向);

(5)物理量符号及单位B:磁感强度(T),L:有效长度(m),I:电流强度(A),V:带电粒子速度(m/s),q:带电粒子(带电体)电量©;

(6)安培力与洛仑兹力方向均用左手定则判定。

2)力的合成与分解

1.同一直线上力的合成同向:F=F1+F2, 反向:F=F1-F2 (F1>F2)

2.互成角度力的合成:

F=(F12+F22+2F1F2cosα)1/2(余弦定理) F1⊥F2时:F=(F12+F22)1/2

3.合力大小范围:|F1-F2|≤F≤|F1+F2|

4.力的正交分解:Fx=Fcosβ,Fy=Fsinβ(β为合力与x轴之间的夹角tgβ=Fy/Fx)

注:(1)力(矢量)的合成与分解遵循平行四边形定则;

(2)合力与分力的关系是等效替代关系,可用合力替代分力的共同作用,反之也成立;

(3)除公式法外,也可用作图法求解,此时要选择标度,严格作图;

(4)F1与F2的值一定时,F1与F2的夹角(α角)越大,合力越小;

(5)同一直线上力的合成,可沿直线取正方向,用正负号表示力的方向,化简为代数运算。

三、动力学(运动和力)

1.牛顿第一运动定律(惯性定律):物体具有惯性,总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止

2.牛顿第二运动定律:F合=ma或a=F合/ma{由合外力决定,与合外力方向一致}

3.牛顿第三运动定律:F=-F′{负号表示方向相反,F、F′各自作用在对方,平衡力与作用力反作用力区别,实际应用:反冲运动}

4.共点力的平衡F合=0,推广 {正交分解法、三力汇交原理}

5.超重:FN>G,失重:FN<G {加速度方向向下,均失重,加速度方向向上,均超重}

6.牛顿运动定律的适用条件:适用于解决低速运动问题,适用于宏观物体,不适用于处理高速问题,不适用于微观粒子

注:平衡状态是指物体处于静止或匀速直线状态,或者是匀速转动。

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